LabVIEW開發(fā)CAN 總線通訊平臺LabVIEW開發(fā)CAN 總線通訊平臺

進(jìn)入21 世紀(jì)以來，商用車CAN 總線網(wǎng)絡(luò)的應(yīng)用得到了異常迅猛的發(fā)展?；贚abVIEW 和J1939 協(xié)議的CAN 總線通訊技術(shù)方法，在國內(nèi)汽車行業(yè)PXI 測控裝置的應(yīng)用屬于空白。本文針對商用車CAN 總線通訊網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，構(gòu)建基于LabVIEW 和J1939 協(xié)議的CAN 總線通訊平臺，嵌入在NI PXI 模塊化接口的測控裝置中，用于發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)、整車電環(huán)境半實(shí)物仿真測試。

J1939 協(xié)議

J1939 協(xié)議以CAN2.0B 規(guī)范為基礎(chǔ)制定，對CAN2.0B 擴(kuò)展幀29 位標(biāo)識符ID 定義形成J1939 的編碼系統(tǒng)，包括優(yōu)先級P、預(yù)留位R、數(shù)據(jù)頁DP、協(xié)議數(shù)據(jù)單元PF、擴(kuò)展單元PS、源地址SA 和數(shù)據(jù)字節(jié)Data，如圖1 所示。這七部分在開放式系統(tǒng)互聯(lián)參考模型（OSI）應(yīng)用層，通過協(xié)議數(shù)據(jù)單元PDU（Protocal Data Unit）被封裝成一個或多個CAN 數(shù)據(jù)幀，通過物理層發(fā)送給總線網(wǎng)絡(luò)其它設(shè)備節(jié)點(diǎn)。

圖1 J1939 數(shù)據(jù)幀格式

PDU 定義了數(shù)據(jù)幀中與J1939 協(xié)議相關(guān)的信息，由標(biāo)識符ID 和數(shù)據(jù)場組成。

PDU1 格式報文PF 在0～239 之間，報文為點(diǎn)對點(diǎn)向目標(biāo)地址發(fā)送，PS：報文接收的目標(biāo)地址，SA：報文發(fā)送的源地址，在目標(biāo)地址中填入255，為全局地址發(fā)送。

PDU2 格式報文PF 在240～255 之間，報文向全局地址發(fā)送，PS：參數(shù)組擴(kuò)展值，J1939 協(xié)議大部分報文為PDU2 格式。

PDU 數(shù)據(jù)場包含參數(shù)組中數(shù)據(jù)內(nèi)容，參數(shù)組編號PGN（Parameter Group Number）用于*標(biāo)識參數(shù)組的號碼，由一個或幾個參數(shù)構(gòu)成一幀或多幀報文，而參數(shù)組是應(yīng)用層中定義的與某個ECU相關(guān)的若干參數(shù)（例如發(fā)動機(jī)水溫、燃油溫度等）的組合。

J1939 協(xié)議與CAN2.0B 標(biāo)準(zhǔn)區(qū)別

標(biāo)識符ID：CAN2.0B 不同功能的報文信息可以使用相同的ID，根據(jù)制造商特定的協(xié)議使用CAN設(shè)備，在集成時會產(chǎn)生ID 不能識別或識別不*問題。J1939 每幀報文的標(biāo)識符*，且每幀報文都有自己的PGN，為每個節(jié)點(diǎn)規(guī)定*的源地址，并將源地址映射到CAN 標(biāo)識符中，避免多個節(jié)點(diǎn)使用相同的標(biāo)識符，例如ID：0CF00400 代表發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速、扭矩報文。

OSI 模型：CAN2.0 規(guī)范定義了七層OSI 參考模型的物理層和數(shù)據(jù)鏈路層，是底層標(biāo)準(zhǔn)，如圖2所示， CAN 總線產(chǎn)品的兼容性、互換性和可集成性差。J1939 是面向OSI 參考模型應(yīng)用層的高層協(xié)議，在應(yīng)用層定義了針對車輛應(yīng)用的信號（參數(shù)）和報文（參數(shù)組）。通過參數(shù)描述信號，并給每個參數(shù)分配了一個編號SPN（Suspect Parameter Number），參數(shù)定義了PDU 數(shù)據(jù)場中字節(jié)的物理意義，例如SPN190 代表發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速。一個PGN 中可能有幾個SPN，PGN61444 包含了SPN190 發(fā)動機(jī)轉(zhuǎn)速和SPN513 發(fā)動機(jī)扭矩等參數(shù)。

多幀報文：CAN2.0B 規(guī)范定義只能使用單幀報文傳輸，J1939 協(xié)議除單幀報文傳輸外，還使用對話式、廣播式多幀報文傳輸，并按多幀數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議進(jìn)行打包封裝發(fā)送和接收合成重組處理，其中對話式多幀報文發(fā)送接收節(jié)點(diǎn)需要握手協(xié)議，廣播式多幀報文面向全局地址發(fā)送。

圖2 開放式系統(tǒng)互聯(lián)參考模型（OSI）

模塊接口

PXI-8464/2 雙通道CAN2.0B 通訊接口模塊，內(nèi)含SJA1000T CAN 控制器和TJA1041T 高速CAN收發(fā)器及TJA1054AT 低速CAN 收發(fā)器。J1939 數(shù)據(jù)鏈路層通過PDU 格式實(shí)現(xiàn)報文的打包封裝，通過CAN 控制器發(fā)送CAN 數(shù)據(jù)幀必須具有的同步、順序控制、錯誤控制和流控制，自動產(chǎn)生CRC 校驗(yàn)位和ACK 應(yīng)答位插入數(shù)據(jù)幀中。

J1939 物理層協(xié)議規(guī)定了每個網(wǎng)段zui多30 個ECU，CAN 總線通訊速率250 kBits/s，總線電平顯性、隱性，差分電壓3.5V/1.5V，差分傳輸雙絞線線纜顏色CAN-H 黃色、CAN-L 綠色，CAN 收發(fā)器完成MCU 至CAN 總線之間收發(fā)電平的匹配轉(zhuǎn)換。

軟件設(shè)計

基于J1939 協(xié)議的CAN 總線報文收發(fā)多任務(wù)處理流程，如圖3 所示，采用生產(chǎn)者/消費(fèi)者循環(huán)數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)。生產(chǎn)者循環(huán)使用“元素入隊(duì)列”函數(shù)向報文簇隊(duì)列中添加數(shù)據(jù)，消費(fèi)者循環(huán)使用“元素出隊(duì)列”函數(shù)從報文簇隊(duì)列中移出數(shù)據(jù)。循環(huán)間采用隊(duì)列的方式進(jìn)行通信，避免多任務(wù)處理競爭狀態(tài)，當(dāng)生產(chǎn)數(shù)據(jù)比消費(fèi)處理數(shù)據(jù)的速度快時，隊(duì)列的緩沖作用保證報文數(shù)據(jù)不丟失。

圖3 基于LabVIEW 和J1939 協(xié)議的CAN 總線通訊報文收發(fā)多任務(wù)處理

建立接收報文ID 解析過濾的識別方法。確定報文標(biāo)識符ID 的枚舉型狀態(tài)變量識別報文，根據(jù)狀態(tài)變量條件結(jié)構(gòu)過濾報文。

PDU1、PDU2 格式單幀報文全部入隊(duì)列，數(shù)據(jù)場大于8 字節(jié)的對話式、廣播式多幀報文按J1939協(xié)議多幀數(shù)據(jù)合成重組后入隊(duì)列，其它無數(shù)據(jù)場的報文幀舍去，處理完的接收報文簇分解后出隊(duì)列計算、存貯和顯示。

廣播幀報文接收合成，首*行TP.CM-BAM 命令幀解析，提取EECU 發(fā)送報文的PGN 和幀數(shù)，其次對接收的TP.DT-BAM 數(shù)據(jù)幀組報文刪除幀序號，通過替換數(shù)組子集對接收報文合成重組，還原PGN 標(biāo)識的數(shù)據(jù)長度大于8 字節(jié)的廣播幀報文。

建立發(fā)送報文ID 解析封裝的識別方法。報文解析首先確定幀類型狀態(tài)變量，其次根據(jù)狀態(tài)變量的條件判斷，進(jìn)行報文格式的封裝定義。

數(shù)據(jù)場小于或等于8 字節(jié)的PDU1、PDU2 單幀發(fā)送報文直接入隊(duì)列，數(shù)據(jù)場大于8 字節(jié)的對話式、廣播式多幀報文按J1939 協(xié)議多幀數(shù)據(jù)處理打包封裝簇合成后入隊(duì)列，處理完的J1939 發(fā)送報文簇分解后出隊(duì)列并寫入CAN 口。

廣播幀報文發(fā)送封裝，ID 解析將發(fā)送報文的PGN 封裝在廣播報文命令幀標(biāo)識符ID-TP.CM 中，報文數(shù)組解析進(jìn)行字節(jié)數(shù)和幀數(shù)計算，創(chuàng)建幀序號加報文子集的8 字節(jié)多幀數(shù)組，與數(shù)據(jù)幀標(biāo)識符ID-TP.DT 打包封裝簇合成TP.DT-BAM，TP.CM-BAM 與TP.DT-BAM 組成廣播幀格式報文。

應(yīng)用效果

在整車電環(huán)境的半實(shí)物仿真報文接收測試試驗(yàn)中，應(yīng)用圖4 所示的基于LabVIEW 和J1939 協(xié)議的CAN 總線通訊平臺，與Vector CANoe 模塊在同一時間段比對測試，接收的某型號發(fā)動機(jī)穩(wěn)態(tài)工況EECU 報文如圖5 所示，一秒內(nèi)接收EECU 發(fā)出的526 幀報文，比對測試接收的報文無丟失現(xiàn)象。

發(fā)動機(jī)燃油消耗量報文，實(shí)時反映了發(fā)動機(jī)燃油經(jīng)濟(jì)性，在商用車J1939 協(xié)議CAN 總線網(wǎng)絡(luò)中，分別被車輛VECU 接收，作為換擋控制策略控制自動變速箱汽車；組合儀表ECU 接收并實(shí)時顯示，提示駕駛員形成良好的駕駛習(xí)慣，操縱汽車達(dá)到燃油經(jīng)濟(jì)性的路況行駛。為使發(fā)動機(jī)獲得的動力性、經(jīng)濟(jì)性和兼顧排放達(dá)標(biāo)，需要對發(fā)動機(jī)電控單元EECU 進(jìn)行標(biāo)定匹配，獲得噴油脈寬的標(biāo)定參數(shù)。標(biāo)定之后做比對試驗(yàn)，驗(yàn)證EECU 的標(biāo)定效果。

發(fā)動機(jī)穩(wěn)態(tài)工況試驗(yàn)，能夠反映車輛的等速工況；而發(fā)動機(jī)變工況瞬態(tài)試驗(yàn)，能夠模擬實(shí)際道路循環(huán)中發(fā)動機(jī)狀態(tài)。通過將實(shí)時報文油耗和實(shí)際測量瞬態(tài)油耗的對比，研究兩者之間的對應(yīng)吻合關(guān)系，判斷發(fā)動機(jī)EECU 的控制效果。

             （a）整車電環(huán)境的半實(shí)物仿真                                                                       （b）發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)

圖4 基于LabVIEW 和J1939 協(xié)議的CAN 總線通訊平臺應(yīng)用

注：一秒內(nèi)接收報文 39736 – 39210 = 526

圖5 發(fā)動機(jī)穩(wěn)態(tài)工況EECU 報文

圖6 發(fā)動機(jī)變工況臺架試驗(yàn)油耗比對測量

某型號發(fā)動機(jī)十工況臺架試驗(yàn)瞬態(tài)油耗比對測量曲線見圖6 所示，從J1939 協(xié)議CAN 總線接收并解析的EECU 油耗報文數(shù)據(jù)，與臺架油耗儀實(shí)測數(shù)據(jù)在發(fā)動機(jī)低負(fù)荷時存在差異，即發(fā)動機(jī)低負(fù)荷時實(shí)際噴油量較小，設(shè)定噴油量與實(shí)際噴油量的差異值較大。這個差異是因?yàn)榘l(fā)動機(jī)低負(fù)荷共軌軌壓波動較大，導(dǎo)致噴油量波動變化而客規(guī)存在。兩條曲線總體吻合*，通過CAN 總線接收的發(fā)動機(jī)噴油目標(biāo)值，與實(shí)際測量值接近，且變化趨勢和時序同步，反映了發(fā)動機(jī)EECU 標(biāo)定匹配獲得了噴油脈寬的目標(biāo)值。

總結(jié)

基于J1939 協(xié)議和NI PXI 平臺的CAN 總線通訊平臺的開發(fā)，建立了NI CAN 模塊在商用車CAN 總線通訊的應(yīng)用基礎(chǔ)，項(xiàng)目具有推廣和商品應(yīng)用前景。在發(fā)動機(jī)臺架試驗(yàn)、整車電環(huán)境半實(shí)物仿真分析中，實(shí)現(xiàn)對CAN 總線報文信息的過濾識別、合成接收、封裝發(fā)送、存貯、解析計算及實(shí)時顯示。

應(yīng)用LabVIEW 軟件平臺強(qiáng)大的數(shù)學(xué)分析運(yùn)算及隊(duì)列處理能力，以及適應(yīng)整車苛刻測試環(huán)境的NI PXI 儀器及CAN 接口模塊，滿足試驗(yàn)工況對CAN 總線報文信息解析的功能需求，同時實(shí)現(xiàn)對報文數(shù)據(jù)與NI PXI 儀器其它測量參數(shù)同步采樣，試驗(yàn)數(shù)據(jù)比對分析處理具有實(shí)時性和真實(shí)性。

    我們開業(yè)語言以LabVIEW為主，在硬件選型方面也積累了豐富的經(jīng)驗(yàn)，同時我們也具備獨(dú)立的硬件開發(fā)及機(jī)械設(shè)計與加工能力，可以制作、加工非標(biāo)設(shè)備，滿足個性化的需求。"術(shù)業(yè)有專攻"，每個人都有自己zui擅長的領(lǐng)域。把這些工作交給我們，使您有精力做科研，這應(yīng)該是一個雙贏的局面。

服務(wù)領(lǐng)域涵蓋：

   LabVIEW 編程 開發(fā)

     LabVIEW作為圖形化編程語言，近幾年發(fā)展迅速，它具備開發(fā)快、可靠性高等特點(diǎn)，非常適合測控領(lǐng)域的應(yīng)用。在該領(lǐng)域我們已經(jīng)有十年的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)，合作用戶涉及科研、國防、外企、大中小型各類企業(yè)。服務(wù)領(lǐng)域遍布自動測控系統(tǒng)眾多領(lǐng)域，包括航空航天、汽車產(chǎn)品測試、工業(yè)自動化、故障診斷、圖像處理等。

   非標(biāo)設(shè)備研制

    在系統(tǒng)開發(fā)過程中，購買不到的配件、電路板等產(chǎn)品，我們也可以進(jìn)行研制開發(fā)，為您提供一站式的服務(wù)。

   系統(tǒng)集成

為自動化測試提供完整的解決方案。我們從設(shè)備選擇、采購、安裝、調(diào)試、控制、到配套產(chǎn)品的研制，涵蓋您科研生產(chǎn)的全過程。讓您全身心的投入到核心工作中來，減輕您的工作壓力，提升工作效率。

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    如果您那有具有市場潛力的好產(chǎn)品、好創(chuàng)意，我們也愿意與您一起合作開發(fā)。在這方面我們也具備了一定的基礎(chǔ)，例如工業(yè)*/呼吸模擬器/人工肺，勞保測試產(chǎn)品"防塵測試儀"已經(jīng)成功推向了市場。成熟的技術(shù)+有潛力的市場，一直是我們追求的目標(biāo)。如果您有好的創(chuàng)意，或者現(xiàn)有的產(chǎn)品需要升級推廣，也歡迎與我們。

      王